面向5G的非正交多址接人技术比较
面向5G的非正交多址接入技术

面向5G的非正交多址接入技术董园园;张钰婕;李华;王春雷;刘晓菲;戴晓明【摘要】在频谱资源受限的情况下,非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)技术由于其良好的过载性能而受到广泛关注.首先,提出了基于复杂度受限的NOMA理论设计模型;接着,对目前主流的NOMA技术方案进行了研究分析,并针对每种方案给出了其设计原理;进一步,设计了基于期望值传播(expectation propagation,EP)的低复杂度接收机;最后,通过仿真比较了NOMA 与传统正交多址接入(orthogonal multiple access,OMA)技术的性能.结果表明,NOMA较传统的OMA技术能够显著提升系统容量和误码率(block error rate,BLER)性能.【期刊名称】《电信科学》【年(卷),期】2019(035)007【总页数】10页(P27-36)【关键词】资源受限;非正交多址接入;复杂度受限;低复杂度接收机【作者】董园园;张钰婕;李华;王春雷;刘晓菲;戴晓明【作者单位】北京科技大学计算机与通信工程学院,北京100083;北京科技大学计算机与通信工程学院,北京100083;北京科技大学计算机与通信工程学院,北京100083;北京科技大学计算机与通信工程学院,北京100083;北京科技大学计算机与通信工程学院,北京100083;北京科技大学计算机与通信工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TP393多址接入技术是无线通信系统网络升级的核心问题,决定了网络的容量和基本性能,并从根本上影响系统的复杂度和部署成本[1]。
从1G到4G无线通信系统,大都采用了正交多址接入(orthogonal multiple access,OMA)方式来避免多址干扰,其接收机复杂度相对较低,但限制了无线通信资源的自由度(degree of freedom,DoF)[2]。
5G通信网络中的非正交多址技术研究

5G通信网络中的非正交多址技术研究随着技术的不断发展和社会的进步,无线通信的需求越来越迫切。
为了更好地满足人们对高速、高容量、低延迟的通信需求,5G通信网络成为业界关注的焦点。
在5G通信网络中,非正交多址技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)应运而生,成为提高系统容量和频谱效率的重要手段。
本文将对5G通信网络中的非正交多址技术进行研究,并探讨其在未来通信系统中的应用。
首先,我们需要了解非正交多址技术的基本原理。
在传统的多址技术中,用户通过时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)或频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)来共享无线资源。
而在非正交多址技术中,多个用户在同一个时间和频率资源上同时进行传输,通过采用功率域多址(Power Domain Multiple Access,PDMA)或码域多址(Code Domain Multiple Access,CDMA)等技术手段实现。
非正交多址技术具有许多优势。
首先,它可以提高系统容量和频谱效率。
由于多个用户同时传输,频谱资源得到了更充分的利用,从而提高了系统的总体容量。
其次,非正交多址技术在保证频谱效率的同时,可以较好地满足不同用户的通信需求。
通过控制不同用户的发送功率和码率,可以根据用户的要求提供不同的服务质量。
此外,在非正交多址技术中,用户之间的相互干扰可以通过适当的信号处理技术进行抑制,从而减小系统的总体干扰。
非正交多址技术在5G通信网络中有多种应用场景。
首先,非正交多址技术可以用于提高物联网(Internet of Things,IoT)设备的连接密度。
由于IoT设备数量庞大,传统的多址技术往往难以满足其连接需求。
而采用非正交多址技术可以允许多个IoT设备同时传输数据,从而有效提高连接密度。
其次,非正交多址技术还可以用于提供定位服务。
非正交多址技术

5G:非正交多址接入(NOMA)与串行干扰删除(SIC)在频谱资源紧缺的今天,作为一项潜在的5G关键技术,能很好地提高频谱效率的非正交多址接入(NOMA)越来越受到人们的关注。
NOMA的基本思想是在发送端采用非正交传输,主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰删除(SIC)实现正确解调。
虽然采用SIC接收机会提高设计接收机的复杂度,但是可以很好地提高频谱效率,NOMA的本质即为通过提高接收机的复杂度来换取良好的频谱效率。
作为一项多用户检测技术,SIC早在第三代移动通信技术(CDMA)中被采用。
SIC在性能上与传统检测器相比有较大提高,而且在硬件上改动不大,从而易于实现。
串行干扰删除(SIC)的基本原理是逐步减去最大信号功率用户的干扰,SIC 检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决,判决出一个用户就同时减去该用户信号造成的多址干扰(MAI),按照信号功率大小的顺序来进行操作,功率较大信号先进行操作。
这样一直进行循环操作,直至消除所有的多址干扰为止。
SIC 检测器的每一级只检测一个信号,因此K 个用户就需要K 级判决。
各用户的操作顺序是根据其功率值排列进行的,功率越大的信号越先处理,因为最强的用户越容易捕获。
每级输出的是功率最大用户的数据判决和去除该用户造成的MAI 以后的接收信号,这样可以将多址干扰降到最低,并且信号越弱获益越大,大大增加了检测的可靠性。
多级结构将上一级的输出信号作为下一级的输入信号,重复“检测、估计、检测……”的循环操作,逐步消除接收信号中的多址干扰。
SIC检测器的结构框图如图1所示。
图1例如,在一个由3个用户共享的子信道上,叠加后的信号为x=x(1)+x(2)+x(3)其中,x(i)(i=1,2,3)分别代表3个用户信号,其中,信号功率x(1)<x(2)<x(3),为了简单起见。
在接收端,接收信号y(i)=h(i)x+w(i)其中,h(i)是信道系数,w(i)是信道高斯白噪声和小区干扰。
5G(NR)中多址接入技术

5G是继4G之后的第五代无线网络技术新标准。
这项技术的设计方式使其可将所有事物和每个人虚拟地连接到一个框架中;5G提供数Gbps 数据速率,比上一代产品具有更高的可靠性,并且能够将海量设备连接在一起提高可用性,提供良好的用户体验。
5G将对每个企业和行业产生影响,因为它将提供更高的数据速率、高可靠性和低延迟,这将有利于物流、远程医疗、精准农业等各个行业。
5G旨在具有这样能力,使其能够灵活地支持尚未发现的未来服务。
5G将提供增强的移动宽带接入、关键任务通信和大规模IoT(物联网)。
5G还可以为统一的用户体验提供更低的延迟,以便即使用户移动时数据速率也保持在高水平。
5G中多址技术OFDM(正交频分复用)这是一种高效调制格式,用于5G中的无线通信系统。
它结合了正交调幅(QAM)和频分复用(FDM)的优点,以产生高数据速率通信系统。
QAM是指各种特定的调制类型,如BPSK(二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控)、16QAM、64QAM。
使用OFDM可以创建一系列子载波,这些子载波一起工作以在一系列频率上传输信息。
这些子载波必须是正交函数。
OFDM 的一个关键推动因素是使用IFFT,(快速傅立叶逆变换)从调制副载波阵列有效地创建时域波形。
所产生的OFDM信号采用数字形式,可将DAC(数模转换器)驱动为模拟信号。
模拟下变频器(DN) 将OFDM 信号移回基带。
ADC(模数转换器)将信号转换为数字形式并将其传递到FFT模块。
FFT模块将时域信号变换回频域中携带QAM 调制的副载波阵列。
为符号之间的一些时间间隔提供保护间隔。
这是为了防止信号干扰。
当CP(循环前缀)被插入到保护周期时,它被称为CP-OFDM。
无线系统使用OFDM来实现高带宽信道。
子载波上的调制可以QPSK、16QAM或64QAM。
5G(NR)标准在上行链路和下行链路上都使用OFDM。
新无线电规范的设计具有高度的灵活性,可涵盖多种应用。
在这种情况下,载波间隔是灵活的(15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz和480 kHz),具有多达3300个子载波。
面向5G的非正交多址接入技术的比较_张长青

交多址接入技术都已达到了香农定理信道容量的极 限,这说明非正交多址接入技术在满足 5G 设计理念和 技术要求等方面,具有强大的竞争优势。
目前,以我国为主的全球多家公司正在积极研发 面向 5G 的非正交多址接入技术,虽然它们的重点各有 不同,但目标只有一个,都想占据 5G 技术的制高点,掌 控 5G 技术的专利权,在未来移动通信领域谋得一席之 地。为此,笔者在简单分析了在非正交多址接入技术 中非常重要的串行干扰消除技术后,重点分析了当前 几种引人瞩目的非正交多址技术的基本原理,比较了 它们各自的技术优劣,并根据《5G 愿景与需求白皮书》 的基本标准,从基站和终端特点出发分析了哪些技术 更适合 5G 需求,提出了一些建议,以供相关技术人员 参考。
在 SIC 接收机中,第 1 个用户信号的检测并不能 从 这 种 干 扰 消 除 算 法 中 获 益 ,但 因 为 它 是 最 强 的 信 号,所以将它放在最前面进行检测也是最精确的。弱 信号可以从这种干扰消除算法中获得最大好处。因 此,接收信号必须按功率的大小由强到弱进行排序。 SIC 技术是消除多址干扰最简单最直观的方法之一, 性能上比传统检测器有较大提高,结构简单、实现容 易,适合 5G 系统的设计要求,但因运算复杂度与用户 数呈线性关系,同一资源单元上叠加的用户数不能太 多。SIC 接收机还存在每一级干扰消除都会带入一个 比 特 的 延 迟 、用 户 功 率 发 生 变 化 时 系 统 需 要 重 新 排 序、若初始信号比特估计不可靠则会对后级检测产生 极大影响等缺点。
浅谈非正交多址技术

浅谈非正交多址技术(NOMA)摘要:在频谱资源紧缺的今天,作为一项潜在的5G关键技术,能很好地提高频谱效率的非正交多址接入(NOMA)越来越受到人们的关注。
本文将先简述非正交多址技术的技术原理与特点,与3G,4G时代的技术性能对比以及与面向5G的其他多址接入技术作对比,来分析非正交多址技术(NOMA)的性能优势。
关键字:非正交多址技术,5G。
1非正交多址技术(NOMA)的基本原理NOMA的基本思想是在发送端采用非正交传输,主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰删除(SIC)实现正确解调。
虽然采用SIC接收机会提高设计接收机的复杂度,但是可以很好地提高频谱效率,NOMA的本质即为通过提高接收机的复杂度来换取良好的频谱效率.下面我们做一个简单的推导来简述原理。
假设UE1位于小区中心,信道条件较好;UE2位于小区边缘,信道条件较差。
我们根据UE的信道条件来给UE分配不同的功率,信道条件差的分配更多功率,即UE2分配的功率比UE1多。
发射端假设基站发送给UE1的符号为 x1,发送给UE2的数据为 x2,功率分配因子为 a。
则基站发送的信号为s=sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2因为UE2位于小区边缘,信道条件较差,所以我们给UE2分配较多的功率,即0 < a < 0.5。
接收端UE2收到的信号为y2=h2 s + n2 = h2( sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2 ) + n2因为UE2的信号x2分配的功率较多,所以UE2可以直接把UE1的信号x1当作噪声,直接解调解码UE2的信号即可。
UE1收到的信号为y1=h1 s + n1 = h1( sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2 ) + n1因为UE1的信号 x1 分配较少的功率,所以UE1不能直接调节解码UE1自己的数据。
相反,UE1需要先跟UE2一样先解调解码UE2的数据 x2。
解出 x2 后,再用 y1 减去归一化的 x2 得到UE1自己的数据,y1 - h2 sqrt(1-a) x2 .最后再解调解码UE1自己的数据。
5g nr物理层技术详解:原理、模型和组件

5g nr物理层技术详解:原理、模型和组件5G NR(New Radio)是第五代移动通信网络的无线接入技术标准。
它定义了5G移动通信系统的物理层技术,包括无线信道的调制方式、多址接入技术、信道编码、调制解调器等关键组件。
下面将详细介绍5G NR物理层技术的原理、模型和组件。
首先,5G NR物理层技术的原理是通过利用更高的频率和宽带来提高数据传输速率和网络容量。
与之前的4G LTE相比,5G NR使用了更高的频段,如毫米波频段(mmWave)。
这些频段具有更大的带宽,可以支持更高的数据速率。
此外,5G NR还引入了更多的天线,通过波束赋形技术来增加覆盖范围和网络容量。
其次,5GNR的物理层模型由不同的层次组成,包括下行物理信道、上行物理信道和共享信道。
下行物理信道用于从基站向终端设备传输数据,上行物理信道用于从终端设备向基站传输数据,而共享信道用于多个终端设备之间的互通和共享。
最后,5GNR物理层技术的关键组件包括:1.调制解调器:5GNR使用了新的调制方式,如正交频分多址(OFDM)和正交频分多址接入(OFDMA),以提高频谱效率和抗干扰能力。
2.多址接入技术:5GNR引入了非正交多址(NOMA)和资源块分配灵活性,以支持更多的终端设备同时连接到网络。
3.天线和波束赋形:5GNR采用了多输入多输出(MIMO)天线技术,并通过波束赋形来改善无线信号的覆盖范围和网络容量。
4.信道编码:为了提高系统的可靠性和容错性,5GNR使用了更高效的信道编码技术,如低密度奇偶校验(LDPC)和极化编码。
总之,5GNR物理层技术是5G移动通信系统的关键组成部分,通过利用更高的频率和宽带来提高数据传输速率和网络容量。
它的原理是基于更高的频段和波束赋形技术,物理层模型包括下行物理信道、上行物理信道和共享信道,关键组件包括调制解调器、多址接入技术、天线和波束赋形以及信道编码等。
这些技术的应用使得5GNR成为更快、更稳定的无线通信技术。
非正交多址接入理论及技术研究

非正交多址接入理论及技术研究非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,简称NOMA)是一种新的多址接入技术,广泛应用于无线通信系统中。
NOMA通过在相同的时间和频域资源上分配信号给不同的用户,从而实现多用户共享资源的目的。
相比传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,简称OMA)技术,NOMA在系统容量、频谱效率以及用户体验等方面具有明显的优势。
非正交多址接入的研究起源于信息论和多用户检测技术的发展。
信息论研究了在有限带宽和功率条件下,如何最大化信道容量。
而多用户检测技术研究如何在接收端正确地区分和检测多个用户的信号。
非正交多址接入技术的设计要求在保证系统容量的同时,能够有效地区分和检测多个用户的信号。
非正交多址接入的核心思想是利用干扰来增强信号的可区分性。
在传统的OMA技术中,不同用户的信号在时间和频域上是正交的,即彼此之间不存在干扰。
而在NOMA技术中,不同用户的信号是非正交的,彼此之间存在干扰。
通过综合利用信号的功率、相位和时移等信息,接收端可以实现对不同用户信号的分离和检测。
非正交多址接入的实现涉及到信号设计、多用户检测和资源分配等关键问题。
在信号设计方面,需要考虑信号的编码和调制方式,以及不同用户信号之间的干扰控制。
在多用户检测方面,需要设计高效的接收算法,以实现对多个用户信号的准确检测。
在资源分配方面,需要根据不同用户的信道质量和业务需求,合理分配时间、频率和功率等资源。
非正交多址接入技术在5G移动通信系统中得到了广泛的应用和研究。
由于NOMA技术可以大幅度提高系统容量和频谱效率,可以支持更多的用户接入,提供更高的数据传输速率和更低的延迟。
同时,NOMA技术还可以提升用户体验,减少用户之间的干扰,提高网络覆盖和服务质量。
非正交多址接入技术的研究仍然存在许多挑战和问题。
首先,如何设计高效的信号检测算法,以实现对多个用户信号的准确检测。
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且 能够保 证 远端 用 户 的性 能 ,使 得 小 区边 缘用 户 的 承 载 着 多个 用 户 , N O MA比4 G的O F D MA 技 术 可 以更
服务 质量 也 得 到一 定 保证 。 由于 每个 时频 资 源上 都 上 有 三 个 用 户 的 数 据 发 生 冲 突 ( F N 一 1 上 叠 加 了 3 和VN 一 5 ) , S C MA编码 部 分 的多 维 调制 技 好地 提升 频谱 效率 。 但NO MA 在 实 际应用 中也 面 临许 术结合复杂的共轭 、相位旋转和置换 区分 了叠加在
技术交流
2 0 1 6 . 6 数 据 通 信
T e c h n o l o g y Di s c u s s i o n
面向5 G的非正交多址接人技术 比较
郭思炎
高泽华
Байду номын сангаас
谭雨 夕
高
峰
( 北 京 邮 电大学信 息 与通信 工程 学 院 北京 1 0 0 8 7 6)
摘
要 :针 对 I / I 前 业界 提 出的5 G网络 非 正 交 多址 接 入 技 术 , 包括 非 正 交 多址接 入 ( NO MA ,
传统的1 G 至4 G 移 动 通信 系 统 中 ,分别 采 用 由基 站 根据 相 关算 法 进行 功 率 分配 。例如 在 下行 链 基站为 区分用户 , 根据信道条件 , 通过相关算 F DMA、 T D M A、 C D MA 和O F D MA 作 为 主要 的多址 接 人 路 中, 通常 , 信道 方式 , 用户通过正交 的资源分配 , 降低了接收端信号 法为这些用户赋予强度不同的发射功率。 检测 的复杂度 。 不同于传统的正交方案 , 为了满足5 G 条件好的用户会少分配一些功率资源 ,而信道条件
2 NOMA
强度高的信号最容易被S I C 接收机感知 , 直接对发射
日本 N T T D o C o Mo 公 司 提 出 了 非 正 交 多 址 接 入 功率最强的信号进行解调 ,将该用户信号从接收信 并对剩下的用户再次进行判决 , 如此循环 ( N O MA, n o n — o r t h o g o n a l m u l t i p l e a c c e s s ) 技术回 , N O MA 号中减去, 逐次 检测 出所 有 的用户 。 作为仅在功率域应用的非正交多址接人技术 ,对多 操 作 ,
n t e r f e r e n c e C a n c e l l a t i o n ) 技术 。N O MA的基 本 思想 是 频谱效率 , 还需要具备支持海量设备连接的能力。面 I 向2 0 2 0 年 的5 G 研 究 已经 在全世 界 范 围内开启 , 以 以接收机复杂度的增加为代价来得到更高的频谱效 将使非正交技 N O M A 、 S C M A 、 M U S A 和P D M A 为代表 的新型 多址技 率。随着接收端设备处理能力 的改善 , 术, 通过多个用户在相 同时频资源上叠加发送 , 在接 术在 实 际系统 中的应用 成 为可能 。 N O MA的两个关 键技 术是 功率 域 复用及 S I C 。 收端 采 用先 进 的 多用 户检 测 技术 分 离 用户 ,解 决 了 传统 移 动通信 中的 网络 能力 问题 。 N O MA 功 率域 的复用 不 同于 简单 的功 率控 制 , 是
高频谱效率 、 低时延和海量连接的需求 , 非正交多址 差 的用户 会多 分 配一些 功率 资源 。 在接 收端 , N O MA 采 用S I C 进 行多 用户 检测 。 正 如 技术 通 过增 加 接 收端 的复 杂 度实 现 了过 载 。非 正 交 D MA系 统 消 除 多 址 干 扰 ( M A I , Mu l t i A d d r e s s 技术 能够显著提升系统的频谱效率和接人能力 , 具 C I n t e r f e r e n c e ) 的方 法 , S I C的基 本思 想 是 采 用逐 级 干 扰 有 广 阔 的应 用 前景 和竞 争优势 。 消除策略。在接收信号 中对用户逐个进行判决 , 由于
No n — o r t h o g o n a l Mu l t i p l e Ac c e s s ) 、 稀 疏码 分 多址接 入 ( s c MA, S p a r s e C o d e Mu l t i p l e A c c e s s ) 、 多用 户 共 享接入 ( MUS A, Mu l t i — u s e r S h a r e d Ac c e s s ) 和 图样 分割 多: t d : 4  ̄ A. ( P DMA, P a t t e r n Di v i s i o n Mu l t i p l e Ac c e s s ) , 对 它们 的工
作 原 理进行 介 绍 , 分析 了这 四种 多址技 术 的优 点 以及 存在 的 问题 。
关键词 : NO MA ; S C MA; MUS A; P D MA
1 引 言
交多址技术不同, N O M A 每个时频资源上都承载着非
随着移动互联网和物联 网的不断发展 , 5 G 将 面 正交的多个用户信 号 ,要区分 同一资源单元 中的不 S I C , S u c c e s s 临移动通信 的爆发式增长。5 G 技术不但要大幅提升 同用户 ,在接 收端采用 串行干扰删除(
个用户信号进行功率域上 的线性叠加。与传统 的正
N O M A 通过采用功率 分配的思想和S I C 算法 , 不 但能够有效的区分用户 , 降低非正交系统的干扰 , 而
L 登
兰
VN 1 、 VN
一 一
数 据 通 信 2 0 1 6 . 6
图1 中J - 6 , K = 4 , N = 2 , d r - - 3 , 如 图所 示 单个 子载 波